第三章 珠光体转变
合集下载
热处理工艺学课件-第03章珠光体转变
珠光体的晶体结构
渗碳体呈短棒状或颗 粒状，其晶体结构为 复杂的正交结构。
渗碳体和铁素体间 以特定的晶体学关系 相间排列，形成层状 结构。
铁素体呈长条状，其 晶体结构为体心立方 结构。
珠光体的特性
珠光体组织具有较高的强度和硬 度，因此钢的强度和硬度主要取 决于珠光体组织的数量和形态。
珠光体的层状结构使其具有良好 的塑性和韧性，有利于钢的切削
04
珠光体转变的影响因素
合金元素的影响
合金元素对珠光体转变的影响主要体现在改变奥氏体的稳定性，从而影响珠光体的 形核和长大过程。
例如，一些合金元素（如铬、镍、锰等）能够提高奥氏体的稳定性，使珠光体转变 温度升高，转变孕育期延长。
另外一些合金元素（如钨、钼、钒等）则降低奥氏体的稳定性，使珠光体转变温度 降低，转变速度加快。
石油化工
在石油化工行业中，许多设备和管 道都需要能够承受高温和腐蚀的金 属材料，珠光体转变能够提高金属 材料的耐腐蚀性和强度。
珠光体转变在材料科学研究中的应用
相变动力学
计算材料学
珠光体转变是材料科学中的重要相变 过程，研究珠光体转变的相变动力学 有助于深入了解材料的性能和行为。
利用计算机模拟珠光体转变的过程， 可以预测材料的性能，为新材料的开 发提供指导。
在转变完成后，冷却速率对珠光体的形貌和晶体学取向也有影响。在缓 慢冷却条件下，珠光体容易形成片层较厚、晶体学取向较差的组织。
05
珠光体转变的研究进展
新型珠光体转变的研究
新型珠光体转变的发现
近年来，随着材料科学的发展，人们发现了新型珠光体转变，这 种转变具有不同于传统珠光体转变的特点和机理。
新型珠光体转变的特性
合金设计
钢的热处理-珠光体转变
§2 珠光体的转变机理
1. 珠光体的形核
珠光体的形核地点：奥氏 体晶界。 铁素体先形核还是渗碳 体先形核？
在共析钢和过共析钢中， 通常以渗碳体为领先相， 在亚共析钢中，则不排 除以铁素体为领先相的 可能性。
珠光体的形核长大示意图
问题：珠光体纵向长大还是横向长大？ 目前认为，初期纵向和横向都长大，后期按分枝长
奥氏体中未溶解的碳化物或其它夹杂物 质点（如脱氧产物）的存在，可以作为非 自发核心增加形核速率，从而加速珠光体 的转变，是C曲线左移。但对长大速度无明 显影响。
4. 塑性变形
奥氏体的塑性变形会促进珠光体转变， 而且变形度愈大，对珠光体转变的加速作 用愈强。
5. 奥氏体的成分
（1）碳含量的影响 亚共析钢中随着碳含量增加，转变速度减慢，
大小。
先析出相的典型形态
（1）仿晶界型 先共析相在母相晶界 上形核，并延晶界平 滑长大，最终可能形 成网状。
（2）魏氏组织型侧向片 状或针状
先析出相从母相晶界 开始，向一侧的晶内 发展，长成片状或针 状。
魏氏组织：晶界或晶 内形核，在晶内特定 晶面上形核，并延一 定位向长大成片状或 针状的组织－魏氏组 织。
与薄片状的渗碳体组成的相间混合物 （质量分数：渗碳体占12%，铁素体88%）。 珠光体团－若干具有相同位向的铁素体和渗碳
体组成的一个晶体群。
珠光体团的亚结构－在一个珠光体团内，不是 所有渗碳体片的位向都完全一致，而是由若 干位向差不大的亚结构组成。
铁素体和渗碳体的颜色和位向关系
铁素体和渗碳体的颜色： 铁素体和渗碳体都是灰白色。 如果放大倍数不高，渗碳体两边被腐蚀的相
需的浓度起伏就愈困难，因而形核率愈低。 在热处理时，奥氏体化温度愈高，保温时 间愈长，则奥氏体的成分愈均匀，故形成 珠光体的速度愈慢，使C曲线右移。 2. 奥氏体的晶粒度
第三章珠光体转变
2、珠光体的形成机理 （1）形核
γ(0.77%C) → α(~0.02%C) + cem(6.67%C) (面心立方) （体心立方） （复杂单斜）
条件：同样需要满足系统内的“结构起伏、成分起伏和 能量起伏”。 部位：晶核多半产生在奥氏体的晶界上（晶界的交叉点 更有利于珠光体晶核形成），或其它晶体缺陷（如位错） 比较密集的区域。
c)表示由晶界长出的渗碳体片，伸向 晶粒内后形成了一个珠光体团。
其中a)和b)为离异共析组织。
3.2.3 粒状珠光体形成机制
1) 粒状珠光体的形成 特定条件是：奥氏体化温度 低，保温时间较短，即加热 转变未充分进行，此时奥氏 体中有许多未溶解的残留碳 化物或许多微小的高浓度C的 富集区，
其次是转变为珠光体的等温 温度要高，等温时间要足够 长，或冷却速度极慢，这样 可能使渗碳体成为颗粒（球） 状，即获得粒状珠光体。
对奥氏体施加等向压应力，有降低珠光体形成温度、 共析点移向低碳和减慢珠光体形成速度的作用。这与 等向压应力下原子迁移阻力增大，C、Fe原子扩散、晶 体点阵改组困难有关。
3、特殊形态的P
当钢中含有一定数量 的合金，形成碳化物 时形态多样。
片状--粒状--针状—纤 维状
3.1.2珠光体的晶体结构
1、位向关系
通常珠光体均在奥氏体晶界上形核， 然后向一侧的奥氏体晶粒内长大成 珠光体团，珠光体团中的铁素体及 渗碳体与被长入的奥氏体晶粒之间 不存在位向关系，形成可动的非共 格界面，但与另一侧的不易长入的 奥氏体晶粒之间则形成不易动的共 格界面，并保持一定的晶体学位向 关系。在一个珠光体团中的铁素体 与渗碳体之间存在着一定的晶体学 位向关系，这样形成的相界面，具 有较低的界面能，同时这种界面可 有较高的扩散速度，以利于珠光体 团的长大。
热处理原理及工艺-珠光体转变与钢的退火和正火
70%等的时间。多组试样在不同等温温度下进行试验，将Байду номын сангаас温度下的转变
开始点和终了点都绘在温度—时间坐标系中，并将不同温度下的转变开始 点和转变终了点分别连接成曲线，就可以得到共析钢的过冷奥氏体等温转
变曲线 。
最上面一条水平虚线表示钢的临界点A1（723℃），即奥氏体与珠光体的 平衡温度。图中下方的一条水平线Ms（230℃）为马氏转变开始温度，Ms 以 下还有一条水平线Mf（–50℃）为马氏体转变终了温度。A1与Ms线之间有两 条C 曲线，左侧一条为过冷奥氏体转变开始线，右侧一条为过冷奥氏体转变 终了线。A1 线以上是奥氏体稳定区。Ms 线至Mf线之间的区域为马氏体转变 区，过冷奥氏体冷却至Ms线以下将发生马氏体转变。过冷奥氏体转变开始线 与转变终了线之间的区域为过冷奥氏体转变区，在该区域过冷奥氏体向珠光 体或贝氏体转变。在转变终了线右侧的区域为过冷奥氏体转变产物区。A1线 以下，Ms线以上以及纵坐标与过冷奥氏体转变开始线之间的区域为过冷奥氏
以共析钢为例，用若干组共析钢的小圆片试样，经 同样奥氏体化以后，每组试样各以一个恒定速度连 续冷却，每隔一段时间取出一个试样淬入水中，将 高温分解的状态保留到室温，然后进行金相测定， 求出每种转变的开始温度、开始时间和转变量。将 各个冷速下的数据综合绘在“温度—时间对数”的 坐标中，便得到共析钢的连续冷却C曲线 。
体区，过冷奥氏体在该区域内不发生转变，处于亚稳定状态。
在A1温度以下某一确定温度，过冷奥氏体转变开始线 与纵坐标之间的水平距离为过冷奥氏体在该温度下的孕育 期，孕育期的长短表示过冷奥氏体稳定性的高低。在A1以 下，随等温温度降低，孕育期缩短，过冷奥氏体转变速度
增大，在550℃左右共析钢的孕育期最短，转变速度最快。
热处理课件 第三章 钢的珠光体转变
二、珠光体的机械性能
图3-5 共析碳素钢的珠光体形成温度 对片层间距和团直径的影响
图3-6 共析碳素钢珠光体团的直径和 片层间距对断裂强度的影响
图3-7 共析碳素钢珠光体团的直径和 片层间距对断面收缩率的影响
珠光体团直径和片层间距越小，强度、硬度越高， 塑性也越好。
图3-8 共析碳素钢不同组织的应力-应变图
第三章 钢的珠光体转变
§3-1 珠光体的组织形态与性能特点
一、珠光体的组织形态 γ → P (α + Fe3C)
面心立方 体心立方 复杂斜方 0.77%C 0.0218%C 6.69%C 根据在铁素体基体上分布的渗碳体形状，珠光体 可分为片状珠光体和粒状珠光体。
图3-1 共析碳钢(0.8%C,0.76%Mn)的C曲线
(1) 珠光体：在A1~650℃范围内形成，层片较粗， 片层间距平均大于0.3μm，在放大400倍以上的光学 显微镜下便可分辨出层片；
(2) 索氏体：在650~600℃范围内形成，层片比 较细，片层间距平均为0.1~0.3μm，在大于1000倍的 光学显微镜下可分辨出层片；
(3) 屈氏体：在600~550℃范围内形成，层片很 细，片层间距平均小于0.1μm，即使在高倍光学显微 镜下也无法分辨出片层，只有在电子显微镜下才能 分辨开层片。
1-片状珠光体 2-粒状珠光体
在退火状态下，对于相同含碳量的钢料，粒状珠 光体的强度、硬度比片状珠光体低，塑性、切削加工 性和淬火工艺性等比片状珠光体好。
§3-2 珠光体转变的机理
γ → P (α + Fe3C) 面心立方 体心立方 复杂斜方 0.77%C 0.0218%C 6.69%C
一、珠光体的形核
图3-9 片状珠光体形核与长大过程示意图
珠光体相变
§3.3.4 影响珠光体转变动力学的因素 （1）钢的化学成分
① 含碳量 亚共析钢：
C%↑，铁素体形核率↓；另外，相变
驱动力ΔGγ-α↓ ，所以珠光体转变
速度下降，C 曲线右移。
即：随含碳量增加，奥氏体趋于更稳定
过共析钢：
若加热温度高于Accm： C% ↑ ，渗碳体形核
率升高；另外，碳在奥氏体中的扩散系数增大，
碳体，在球化退火时，将会自发球化。
② 与渗碳体尖角接壤处的铁素体碳浓度 Cα-k 大于
与平面接壤处的碳浓度，在铁素体内将引起碳
原子扩散，结果界面碳浓度平衡被打破，为维 持碳浓度平衡，渗碳体尖角处会溶解，而平面 处会向外生长，最后形成各处曲率半径相近的 粒状渗碳体。
③ 渗碳体片内亚晶界的存在， 会产生一界面张力，为保 持界面张力平衡，在亚晶 界处会出现沟槽。由于沟 槽两侧曲率半径较小，此 处渗碳体将溶解，而使曲 率半径增大，破坏了界面 张力的平衡，为恢复平衡， 沟槽将进一步加深，直至 渗碳体溶断。
§3.3.2 长大速度
~550℃
1 G G D S0 G T 1 T S0 G T 2 D T 2 exp( Q ) RT
长大速度随转变温度的降低 也是先增后减，在 550℃附近 也有一极大值。
图3-8 长大速度与转变温度的关系
§3.3.3 珠光体转变动力学曲线
当 N 、 G 不随转变时间改变时， Johnson-Mehl方程：
Vt 1 exp(
3
NG 3 t 4 )
当N随转变时间改变时， Avrami方程：
Vt 1 exp(bt )
n
图3-9 珠光体转变的动力学曲线
(a)
第三章 珠光体转变
粒状珠光体
3.1 珠光体的组织特征
片状珠光体 由一层铁素体与一层渗碳体交替紧密堆叠而成的。在片状 珠光体组织中，一对铁素体片和渗碳体片的总厚度称为“珠光 体片层间距”，以S0表示。 若干大致平行的铁素体和渗碳体片组成一个“珠光体晶粒” 或“珠光体团”，在一个奥氏体晶粒内，可形成几个珠光体团 。
层片状珠光体示意图
3.1 珠光体的组织特征
根据片层间距大小的不同，可将珠光体分为三种。
3.1 珠光体的组织特征
珠光体——一般所谓的片状珠光体是指在光学显微镜下能明 显分辨出铁素体和渗碳体层片状组织形态的珠光体。它的片 间距大约为450~150nm，形成于A1~650℃温度范围内。
3.1 珠光体的组织特征
索氏体——如果形成温度较低，在650~600℃温度范围内形 成的珠光体，其片间距较小，约为150~80nm，只有在高倍 的光学显微镜下（放大800~1500倍时）才能分辨出铁素体和 渗碳体的片层形态。
3.3 珠光体动力学
（3）形核率I和长大速度G与转变时间的关系
当转变温度一定时，随转 变时间的延长，I 逐渐增大 ，而对G无明显的影响。
3.3 珠光体动力学
1、有孕育期，且随温度的 变化有极小值； 2、温度降低，转变速度增 加，对应鼻点温度时转变速度 最大； 3、转变时间增加，转变量 增加，当转变量超过50%后， 转变速度减慢。 因为在A→P时，对A产生压 应力抑制A →P的转变，压应 力下，C、Fe原子扩散和晶格 改组困难。
3.1 珠光体的组织特征
珠光体形成的过程中，新相铁素体和母相奥氏体的位向关系 110 // 112 ; 112 // 110
在亚共析钢中，先共析铁素体与奥氏体的位向关系
(111) //(110 ) ;[110 ] //[111]
第三章 珠光体转变
第三章 珠光体转变
热处理原理与工艺 第三章 珠光体转变
1
第三章 珠光体转变
导读
▪ 通过学习本章，重点掌握钢中珠光体的 概念，物理本质，组织结构特点，珠光 体转变的物理过程，分解动力学特征及 C曲线的影响因素。了解珠光体分解热力 学，形核长大机理等知识。
2
第三章 珠光体转变
第三章 珠光体转变
珠光体转变是过冷奥氏体在临界温度A1以下比较 高的温度范围内进行的转变，共析碳钢约在A1~500℃ 温度之间发生，又称高温转变。珠光体转变是单相奥 氏体分解为铁素体和渗碳体两个新相的机械混合物的 相变过程，因此珠光体转变必然发生碳的重新分布和 铁的晶格改组。由于相变在较高的温度下进行，铁、 碳原子都能进行扩散，所以珠光体转变是典型的扩散 型相变。
珠光体……Pearlite
3
3.1 珠光体的组织特征
第三章 珠光体转变
3.1.1 珠光体的组织形态
第
一
珠光体是过冷奥氏体在A1以下的共析转变产物，
节 是铁素体和渗碳体组成的机械混合物(P)。
珠
形状分类：片状珠光体、粒状(球状)珠光体和针
光 体
状珠光体；片状和粒状最常见。
的 1、片状珠光体
组
织
渗碳体呈片状，是由一层铁素体和一层渗碳体层
镜下可辨，用符号S 表示。
珠 光 体 的 组 织 特 征 光镜形貌
电镜形貌
13
第三章 珠光体转变
▪ ⑶ 托氏体
▪ 形成温度为600-550℃，片层极薄，电镜下可辨，
第 一
用符号T 表示。
节
珠
光
体
的
组
织
特
光镜形貌
电镜形貌
征
热处理原理与工艺 第三章 珠光体转变
1
第三章 珠光体转变
导读
▪ 通过学习本章，重点掌握钢中珠光体的 概念，物理本质，组织结构特点，珠光 体转变的物理过程，分解动力学特征及 C曲线的影响因素。了解珠光体分解热力 学，形核长大机理等知识。
2
第三章 珠光体转变
第三章 珠光体转变
珠光体转变是过冷奥氏体在临界温度A1以下比较 高的温度范围内进行的转变，共析碳钢约在A1~500℃ 温度之间发生，又称高温转变。珠光体转变是单相奥 氏体分解为铁素体和渗碳体两个新相的机械混合物的 相变过程，因此珠光体转变必然发生碳的重新分布和 铁的晶格改组。由于相变在较高的温度下进行，铁、 碳原子都能进行扩散，所以珠光体转变是典型的扩散 型相变。
珠光体……Pearlite
3
3.1 珠光体的组织特征
第三章 珠光体转变
3.1.1 珠光体的组织形态
第
一
珠光体是过冷奥氏体在A1以下的共析转变产物，
节 是铁素体和渗碳体组成的机械混合物(P)。
珠
形状分类：片状珠光体、粒状(球状)珠光体和针
光 体
状珠光体；片状和粒状最常见。
的 1、片状珠光体
组
织
渗碳体呈片状，是由一层铁素体和一层渗碳体层
镜下可辨，用符号S 表示。
珠 光 体 的 组 织 特 征 光镜形貌
电镜形貌
13
第三章 珠光体转变
▪ ⑶ 托氏体
▪ 形成温度为600-550℃，片层极薄，电镜下可辨，
第 一
用符号T 表示。
节
珠
光
体
的
组
织
特
光镜形貌
电镜形貌
征
珠光体转变
亚共析钢中，先共析铁素体与奥氏体的位向关系为 (111)∥(110) ； [110]∥[111]
这两种位向关系不同，说明珠光体中铁素体与先共 析铁素体具有不同的转变特性。
第三章 珠光体转变 珠光体中渗碳体与奥氏体的位向关系比较复杂。
3.2 珠光体的形成机理
片状珠光体的形成过程：
相组成： 碳含量： 点阵结构： （ 0.77% 面心立方 + Fe3C ） 6.69% 复杂斜方
了避免产生珠光体转变产物的淬火和等温淬火等
热处理工艺也有密切的联系。
第三章 珠光体转变
3
3.1 珠光体的组织特征
• 铁素体与渗碳体的混合物，称为珠光体 。 • 按渗碳体的形态，珠光体分为片状珠光体和粒状珠光体。 • 片状珠光体：由一层铁素体与一层渗碳体交替紧密堆叠而成 的。
• 在一个奥氏体晶粒内可以形成几个珠光体团。
第三章 珠光体转变
索氏体(Sorbite)
第三章 珠光体转变
• 索氏体 在光学金相显微镜下放大600倍以上才能分辨片层的细珠光 体(GB/T7232标准)。其实质是一种珠光体，是钢的高温转变产物，是 片层的铁素体与渗碳体的双相混合组织，其层片间距较小(30～ 80nm) ，碳在铁素体中已无过饱和度，是一种平衡组织。
图3
三种片状珠光体组织
第三章 珠光体转变
片状珠光体 Pearlite
经2-4%硝酸酒精溶液浸蚀后,在不同放大倍数的显微镜下可以观察 到不同特征的珠光体组织 . 当放大倍数较高时可以清晰地看到珠光体 中平行排列分布的宽条铁素体和窄条渗碳体 ;当放大倍数较低时 ,珠光 体中的渗碳体只能看到一条黑线 ; 而当放大倍数继续降低或珠光体变 细时,珠光体的层片状结构就不能分辨了,此时珠光体呈黑色的一团。
热处理工艺学珠光体转变
5
§3-2 珠光体形成机制
珠光体形成的热力学
转变驱动力：自由焓差
转变条件：GP<GA 片状珠光体的形成机制
领先相：亚共析钢－铁素体；过共析钢－ 渗碳体；共析钢－铁素体或渗碳体
无论哪一相领先，有未溶渗碳体存在时， 促进P形成，铁素体的存在影响不大
课件
6
片状珠光体形成机制
课件
7
共析成分奥氏体在700℃等温转变过程
第三章 珠光体转变
课件
1
前言
A在低温下为不稳定组织，当钢冷时，先沿GS、 ES析出先共析铁素体和先共析渗碳体，同时A 成分向共析成分靠拢，在低于A1时，发生共析 转变
冷速不同，过冷度不同，Fe、C原子的活性不 同，转变机制不同
高温转变（缓冷）：珠光体转变
中温转变（中速）：贝氏体转变
低温转变（快速）：马氏体转变
奥氏体化温度较高，渗碳体充分溶解→保温时 间短，A不均匀→高碳区形成粒状渗碳体
课件
10
加热在A1以下的球化过程
胶态平衡理论－自发过程
第二相颗粒的溶解度（S）与 其曲率半径（r）有关
S1 r
C
C%↑ C%↓ C%↑
课件
11
晶体缺陷的影响
课件
12
§3-3 亚（过）共析钢的珠光体转变
亚（过）共析钢的珠光体转变类似于共 析钢的珠光体转变，不同之处在于： 先共析铁素体的析出 先共析渗碳体的析出 伪共析转变 重点：魏氏组织
T
|G
P
-G
A
|
S0
,
dC dx
I ,V
T D I ,V
τ↑→I很快饱和，饱和后降为0
τ对V无关， τ一定时，V一定
珠光体转变
上一内容 下一内容 回主目录 返回
2.粒状珠光体
△在硬度相同的条件下，P 粒 比P 片 具有更好的 拉伸性能。
△P粒还具有较好的切削加工性能（对工模具钢
而言）、冷成型性能及淬火工艺性能。
所以一般工模具钢在锻造后机加工前的预备热
处理为等温球化退火，以获得粒状珠光体，目的
是为了获得良好的切削加工性能以及为最终热处
上一内容 下一内容 回主目录 返回
发生珠光体转变的热处理可作为机 加工的中间热处理，消除因前一道 工序造成的加工硬化，改善机加工 性能，便于下道工序的切削加工
上一内容
下一内容
回主目录
返回
用得更为广泛的则是作为淬火的
预先热处理，为淬火作好组织上的 准备 对于要求高硬度、高强度的构件， 则希望获得马氏体，为避免因工艺 不当使组织中出现珠光体，则必须 研究珠光体的形成动力学
上一内容
下一内容
回主目录
返回
二、珠光体的形成过程
上一内容
下一内容
回主目录
返回
二、珠光体的形成过程
上一内容
下一内容
回主目录
返回
二、珠光体的形成过程
③在随后的缓冷或在A1以下等温过程中，奥氏 体中的富碳微区，会成为碳化物的结晶中心，使 一部分碳化物直接析出长成球状：这些微小区域
弥散分布，形成球状碳化物的扩散距离比形成片
状的短，虽然其应变能大于片状珠光体，但其总
自由能却较低，因而形成粒状珠光体。
另一部分仍以片状成长的碳化物则在随后的慢冷或等
温过程中逐渐球化。最终得到粒状珠光体组织。
上一内容 下一内容 回主目录 返回
二、珠光体的形成过程
冷却速度和等温温度(时间)对P粒颗粒的影响 过冷奥氏体转变为珠光体时，晶格的重构是
2.粒状珠光体
△在硬度相同的条件下，P 粒 比P 片 具有更好的 拉伸性能。
△P粒还具有较好的切削加工性能（对工模具钢
而言）、冷成型性能及淬火工艺性能。
所以一般工模具钢在锻造后机加工前的预备热
处理为等温球化退火，以获得粒状珠光体，目的
是为了获得良好的切削加工性能以及为最终热处
上一内容 下一内容 回主目录 返回
发生珠光体转变的热处理可作为机 加工的中间热处理，消除因前一道 工序造成的加工硬化，改善机加工 性能，便于下道工序的切削加工
上一内容
下一内容
回主目录
返回
用得更为广泛的则是作为淬火的
预先热处理，为淬火作好组织上的 准备 对于要求高硬度、高强度的构件， 则希望获得马氏体，为避免因工艺 不当使组织中出现珠光体，则必须 研究珠光体的形成动力学
上一内容
下一内容
回主目录
返回
二、珠光体的形成过程
上一内容
下一内容
回主目录
返回
二、珠光体的形成过程
上一内容
下一内容
回主目录
返回
二、珠光体的形成过程
③在随后的缓冷或在A1以下等温过程中，奥氏 体中的富碳微区，会成为碳化物的结晶中心，使 一部分碳化物直接析出长成球状：这些微小区域
弥散分布，形成球状碳化物的扩散距离比形成片
状的短，虽然其应变能大于片状珠光体，但其总
自由能却较低，因而形成粒状珠光体。
另一部分仍以片状成长的碳化物则在随后的慢冷或等
温过程中逐渐球化。最终得到粒状珠光体组织。
上一内容 下一内容 回主目录 返回
二、珠光体的形成过程
冷却速度和等温温度(时间)对P粒颗粒的影响 过冷奥氏体转变为珠光体时，晶格的重构是
第三章 珠光体转变
18
Cγ -α Cγ -k
图3-4 珠光体形成时碳的扩散
19
③ 珠光体的横向生长：
Fe3C的横向生长使周围奥氏体产生贫碳区， 当碳浓度下降到Cα-k时，在Fe3C两侧通过 点阵重构，形成两小片铁素体。同样，铁 素体的横向生长也将产生富碳区，这又促 使渗碳体片的形核生长。如此协调地交替 形核生长，从而形成铁素体、渗碳体片相 间的层片组织。
9
原因：
③ΔT 愈大，碳在奥氏体中的扩散能 力愈小，扩散距离变短。另外， ΔGV 会变大，可以增加较多的界面能，所 以 S0 会变小。
原奥氏体晶粒大小对 S0 无明显影 响。但原奥氏体晶粒越细小，珠光体 团直径也越细小。
10
1.4 珠光体的力学性能
1）一般规律
珠光体的强度、硬度高于铁素体，而低于贝 氏体、渗碳体和马氏体，塑性和韧性则高于 贝氏体、渗碳体和马氏体。 适于切削加工或冷成型加工。
27
3.2 亚共析钢中的先共析铁素体形态
在奥氏体晶界上形成的晶核，一侧为共格，另 一侧为非共格。 （1）形成温度较高时，非共格晶界易迁移，向奥 氏体晶粒一侧长成球冠状。
① 若原奥氏体含碳量较高，析出的铁素体量较少， 则铁素体易长成网状。 ② 若原奥氏体含碳量较低，析出的铁素体量较多， 且单位体积排出的碳原子较少，非共格界面更 易迁移，铁素体长入奥氏体呈块状分布。
G * Q N C exp( ) exp( ) RT RT T G * , Q
(3 3)
形成温度较高时，扩散较易，形核功起主导 作用，由于温度降低，A与P间的自由能差增大， 故形核率增加。至一定温度时，扩散起主导作 用，温度降低，扩散困难，形核率下降。
35
~550℃
第3章珠光体转变
第三章珠光体转变重点：1、掌握珠光体的组织形态与晶体结构；2、了解珠光体的形成机理；3、掌握珠光体的力学性能。
难点：1、珠光体的形成机理；2、珠光体的力学性能。
意义：* 钢中的珠光体转变，即冷却时由奥氏体（γ）向珠光体（α+Fe3C）的转变。
是典型的扩散型相变。
（γ→α+Fe3C）是最具代表性的共析相变，在热处理实践中极为重要。
共析相变是一种典型的平衡转变，其转变产物为符合状态图的平衡组织，无论是金属材料还是陶瓷材料都可发生共析相变。
* 研究珠光体转变的规律，不仅与为了获得珠光体转变产物的退火、正火、索氏体化等热处理工艺有关，而且与为了避免产生珠光体转变产物的淬火和等温淬火等热处理工艺也有密切的联系本章主要讨论钢中珠光体转变产物的组织形态、形成过程、转变速度、力学性能及其影响因素。
§3-1 珠光体的组织形态与晶体结构珠光体：共析钢加热至A化后缓慢冷却，在稍低于A1温度时A将分解为铁素体与渗碳体的两相混合物。
转变温度：珠光体转变是过冷奥氏体在临界温度A l以下比较高的温度范围内进行的转变，共析钢约在A1~550℃温度之间发生，又称为高温转变。
按渗碳体的形态，珠光体分为片状珠光体和粒状珠光体两种。
一、珠光体形态1、片状珠光体――是由片层相间的铁素体和渗碳体片组成。
片状珠光体是由一层铁素体与一层渗碳体交替紧密堆叠而成的。
在片状珠光体组织中，一对铁素体片和渗碳体片的总厚度称为“珠光体片层间距”，以S。
表示，如图3-2a）。
S。
是用来衡量珠光体组织粗细程度的一个主要指标。
若干大致平行的铁素体和渗碳体片组成一个“珠光体晶粒”或“珠光体团”，在一个奥氏体晶粒内，可形成几个珠光体团如图3-2b)。
根据珠光体片间距大小不同，可将珠光体分为三种。
* 珠光体* 索氏体* 屈氏体形态如图3-3所示。
2、粒状珠光体α珠光体团原奥氏体晶界工业用钢中也可见到如图3-4所示的在铁素体基体上分布着粒状渗碳体的组织，称为“粒状珠光体”或“球状珠光体”，一般是经过球化退火或淬火后经中、高温回火得到的。
第三章__珠光体共析分解
（2）低温时，过冷度大，驱动力△Gv大，扩散系数D小，原子扩散能力 小，以扩散系数D影响为主，随T升高，孕育期减小。
上述两个因素综合作用的结果，在550℃是驱动力和原子的扩散的作 用都充分发挥，使孕育期最短，使TTT图呈“C”字形。
影响过冷奥氏体等温转变的因素
①碳的影响：在碳钢中以共析钢的过冷奥氏体最稳定，碳含量增加或减少 都将使过冷奥氏体稳定性降低。 ②合金元素的影响：凡是熔于奥氏体中的合金元素（除钴外）都会增加奥 氏体的稳定性，而未熔入奥氏体，则由于存在未熔的碳化物或夹杂物，易 于形核，会促使奥氏体的稳定性降低。
片层间距=一片F和一片Fe3C厚度之和
S0=(8.02/T) ×103nm ？
珠光体片间距与形成温度的关系 (a)线性关系 (b)非线性关系
二、珠光体的组织形态（片状、粒状、类珠 光体）
1.片（层）状珠光体：一层F+一层Fe3C 珠光体领域（珠光体团、珠光体晶粒）：片状珠光 体的片层位向大致相同的区域称为珠光体领域。
坏为了恢复平衡析出F(C/ ) 析出Fe3C(/Fe3C )
F和Fe3C向A晶粒内部纵向长大
4、P的分枝形成机制
P只是以纵向长大的方式进行，至于横向的展宽，并不是通 过横向重复形核，而是以分岔的方式进行。
Fe3C晶核纵向长大不断分枝 F在枝间形成
片层相间的P
T8钢退火组织
T12钢退火组织
珠光体和屈氏体的TEM形貌比较
2. 粒（球）状珠光体
粒状珠光体：渗碳体以粒状 分布于铁素体基体中。它一般 通过特定的热处理获得。渗碳 体颗粒大小、形状与所采用的 热处理工艺有关。渗碳体颗粒 的多少与WC有关。 在高碳钢中按渗碳体颗粒大 小将粒状珠光体分为粒状P、细 粒状P、点状P。 其他类型的珠光体，如碳化 物呈纤维状和针状。
材料工程基础讲稿4
冷却速度和晶粒度对铁碳合金合金组织的影响
如前所述，与亚共析钢相似，即使在过共析钢中，当碳合量和冷却 条件与奥氏体晶粒较合适时，也可能产生渗碳体的魏氏组织。此时， 渗碳体往往以针状或扁片状、条状出现在奥氏体晶粒内部。其组织 形态如前面图所示。
一般认为,钢中魏氏组织的存在，虽然对抗拉强度影响不大，但却能 显著降低其塑性，特别是冲击韧性将大为降低，有的甚至能降低50 一75％，因此，希望能通过退火或正火予以消除。后来，一些研究 说明，对上述这一结论应重新加以考虑。研究指出，过去一些关于 针状铁索体(魏氏组织)使钢的机械性能恶化的结论，都是在与热处 理后具有细晶粒组织的钢相比前提下做出的。 实际上，主要是奥氏体晶粒粗大所造成的影响。
魏氏组织
魏氏组织形成与那些因素有关系?通过那些方法可 以消除魏氏组织？为什么低碳钢渗碳后空冷时极 易出现魏氏组织？
钢中魏氏组织的形成，主要决定于其化学成 分(含碳量)、奥氏体的晶粒度和冷却速度(转 变温度)。
消除魏氏组织的常用方法是细化奥氏体 晶粒的正火、退火以及锻造等。 低碳钢渗碳过程中，由于惨碳温度高， 保温时间长，表层含碳且增加，故在渗碳后 空冷时极易出现魏氏组织，以致大大地降低 其机械性能。
/jpkc2007/gccl/class/chap3/sec2.asp
/jpkc2007/gccl/class/chap3/sec2.asp
钢中魏氏组织的形成，主要决定于其化学成分(含碳量)、奥氏体的晶粒度和冷 却速度(转变温度)。 随着上述三个参数的变化，先共析铁素体大体上以下列三种金相状态存在，即 块状铁素体、魏氏组织铁素体及晶界网状铁素体。它们各自的形成温度范围与 成分范围如图下图所示。可以看出，不同碳含量的钢，奥氏体品粒大小不同时， 形成魏氏组织的温度也不一致。碳含量越高，奥氏体晶粒越小，就必须有较大 的冷却速度(即较大的过冷度或较低的转变温度)才能形成魏氏组织。
如前所述，与亚共析钢相似，即使在过共析钢中，当碳合量和冷却 条件与奥氏体晶粒较合适时，也可能产生渗碳体的魏氏组织。此时， 渗碳体往往以针状或扁片状、条状出现在奥氏体晶粒内部。其组织 形态如前面图所示。
一般认为,钢中魏氏组织的存在，虽然对抗拉强度影响不大，但却能 显著降低其塑性，特别是冲击韧性将大为降低，有的甚至能降低50 一75％，因此，希望能通过退火或正火予以消除。后来，一些研究 说明，对上述这一结论应重新加以考虑。研究指出，过去一些关于 针状铁索体(魏氏组织)使钢的机械性能恶化的结论，都是在与热处 理后具有细晶粒组织的钢相比前提下做出的。 实际上，主要是奥氏体晶粒粗大所造成的影响。
魏氏组织
魏氏组织形成与那些因素有关系?通过那些方法可 以消除魏氏组织？为什么低碳钢渗碳后空冷时极 易出现魏氏组织？
钢中魏氏组织的形成，主要决定于其化学成 分(含碳量)、奥氏体的晶粒度和冷却速度(转 变温度)。
消除魏氏组织的常用方法是细化奥氏体 晶粒的正火、退火以及锻造等。 低碳钢渗碳过程中，由于惨碳温度高， 保温时间长，表层含碳且增加，故在渗碳后 空冷时极易出现魏氏组织，以致大大地降低 其机械性能。
/jpkc2007/gccl/class/chap3/sec2.asp
/jpkc2007/gccl/class/chap3/sec2.asp
钢中魏氏组织的形成，主要决定于其化学成分(含碳量)、奥氏体的晶粒度和冷 却速度(转变温度)。 随着上述三个参数的变化，先共析铁素体大体上以下列三种金相状态存在，即 块状铁素体、魏氏组织铁素体及晶界网状铁素体。它们各自的形成温度范围与 成分范围如图下图所示。可以看出，不同碳含量的钢，奥氏体品粒大小不同时， 形成魏氏组织的温度也不一致。碳含量越高，奥氏体晶粒越小，就必须有较大 的冷却速度(即较大的过冷度或较低的转变温度)才能形成魏氏组织。
珠光体相变
（4）奥氏体晶粒度
奥氏体晶粒的细化，可增加珠光体的形核位 置，从而促进珠光
奥氏体化温度越高，保温时间越长，奥氏体 晶粒尺寸越大，并且成分趋于均匀化，减少了 珠光体形核所需的浓度起伏和形核位置，从而 减慢珠光体的形成，使C曲线右移。
（6）应力和塑性变形
魏氏组织的形成有一个上限温度Ws点。在 这个温度以上，魏氏组织不能形成。奥氏 体晶粒越细， Ws点越低。 奥氏体晶粒越粗大，越容易形成魏氏组织。 当钢的碳含量超过0.6%时，魏氏组织铁素 体较难形成。 在连续冷却时，魏氏组织只在一定冷却速 度下才能形成，过慢或过快的冷却速度都 会抑制它的产生。
③渗 碳 体 片 内 亚 晶 界 的 存在，会产生一界面张 力，为保持界面张力平 衡，在亚晶界处会出现 沟槽。由于沟槽两侧曲 率半径较小，此处渗碳 体将溶解，而使曲率半 径增大，破坏了界面张 力的平衡，为恢复平衡， 沟槽将进一步加深，直 至渗碳体溶断。 图3-6 片状渗碳体溶断机制
图3-7 片状渗碳体在 A1 温度以下球化过程示意图
2. 魏氏组织的形态 亚共析钢中的魏氏组织铁素体，单个的形 貌是针状； 按它们的分布状态来看，则有羽毛状的； 三角形的，也可能是几种形态混合。
3. 魏氏组织的形成条件和基本特征 魏氏组织铁素体是按成核，长大机理形成 的，魏氏组织铁素体的尺寸随等温时间的 延长而增大； 魏氏组织铁素体形成时，也会产生表面浮 凸现象； 魏氏组织铁素体是沿奥氏体中一定的晶面 析出的，惯习面为（111）γ，并于奥氏体 之间存在K-S位向关系。
§3.3.1 先共析转变
研究对象：亚共析钢或过共析钢
定义：非共析成分的奥氏体在珠光体转变之前析 出先共析相的转变称为先共析转变。
§3.3.2 亚共析钢先共析铁素体的析出
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
片状珠光体形成时碳的扩散示意图
14 Yuxi Chen Hunan Univ.
片状珠光体中渗碳体的分枝长大 原因：塞积位错 体扩散机制：碳原子在奥氏体中 的扩散。
界面扩散机制：650oC以下珠光 体相变主要是通过母相与珠光体 的界面扩散进行。
15
Yuxi Chen Hunan Univ.
具有B1结构的第二相能有效促进晶内形核
奥氏体化温度低，慢速冷却至Ar1点以下，未溶 解的残余粒状渗碳体便成为现成的渗碳体核。
18 Yuxi Chen 18 Hunan Univ.
片状渗碳体加热过程中有可能自发地发生破裂 和球化，这是因为片状渗碳体的的表面积大于 同样体积的粒状渗碳体，从能量角度考虑，渗 碳体的球化是一个自发过程。
低温球化退火工艺。
34 Yuxi Chen Hunan Univ.
第四节 珠光体转变动力学
形核率I 长大速度v
1、珠光体的形核率与 长大速度
珠光体形核率I 及线长 大速度v与转变温度之间 的关系曲线均为具有极大 值的下凹曲线。
35 Yuxi Chen Hunan Univ.
随转变温度降低，过冷度增大，奥氏体与珠光体的自 由能差增大，相变驱动力△Gv增大，使临界形核功W 减小，上式中的第二项将增大，即使形核率增大。 随转变温度降低，原子扩散能力减弱，由于 Q基本不 变，上式中的第一项将减小，使形核率减小； 综合作用结果，导致珠光体的形核率对转变温度有极 大值。
24 Yuxi Chen Hunan Univ.
1、先共析转变
亚共析钢——先共析铁素体 亚共析钢完全奥氏体化后 被冷却到GSE 区，将有先 共析铁素体析出。 随温度降低，铁素体析出 量增加，到T2温度时，先 共析相停止析出。 碳含量越高，冷却速度越 大，先共析铁素体量越少。
25
Yuxi Chen Hunan Univ.
3、珠光体等温转变动力学图
金相法、硬度法、膨胀法 磁性法、电阻法等； 一般取转变量5%时的时间为 转变开始时间； 转变量为95%时的时间为转 变终了时间。 转变温度−时间−转变量 （C曲线）
40
Yuxi Chen 40 Hunan Univ.
特点：
1）孕育期
2）C曲线鼻子：随转变温度降低，孕育期缩短， 到某一温度达到最短，随后随温度降低又逐渐 增加；
12 Yuxi Chen Hunan Univ.
随珠光体形成温度降低，渗碳体片和铁素体 片逐渐变薄缩短，同时两侧连续形成速度（横 向长大速度）及其纵向长大速度都发生改变， 珠光体群的轮廓也由块状逐渐变为扇形，继而 为轮廓不光滑的团絮状，即由片状珠光体逐渐 变为索氏体或屈氏体。
13
Yuxi Chen Hunan Univ.
8 Yuxi Chen Hunan Univ.
第二节 珠光体转变机制
1、珠光体转变的热力学条件（驱动力）
9
Yuxi 9 Chen Hunan Univ.
2、片状珠光体形成机制
成分条件，结构条件，能量条件
10 Yuxi Chen Hunan Univ.
珠光体转变时的领先相 究竟是铁素体还是渗碳体，很难通过实验直 接验证，目前也尚无定论。
33 Yuxi Chen Hunan Univ.
3、伪共析转变
非共析成分的奥氏体快冷进入ESG 发生共 析转变，即分解为铁素体和渗碳体，称为伪共 析转变。 伪共析组织，属于珠光体组织 组织特征相同，但铁素体和渗碳体的量与共析 成分的珠光体不同。 转变条件：奥氏体的含碳量（接近共析成分）， 过冷度（大）
5
Yuxi Chen Hunan Univ.
粒状珠光体：在铁素体基体上分布着粒状渗
碳体的组织称为粒状珠光体。一 般是经过球化 退火等一些特定的热处理后获得。
6
Yuxi Chen Hunan Univ.
特殊形态的珠光体
当铁碳合金中加入合金元素，碳化物形成元 素的原子会取代部分铁原子，形成(Fe,M)3C合 金渗碳体，也可能形成MC, M2C, M6C及M23C6 等碳化物。 珠光体的形态仍然主要是片状和粒状两种，但 也会出现一些特殊形态珠光体，如针状、纤维 状等。
20 Yuxi Chen Hunan Univ.
片状渗碳体断裂机制示意图
21 Yuxi Chen Hunan Univ.
连续冷却时发生的珠光体转变与等温中发生 的基本相同，只是连续转变时，珠光体是在不 断降温过程中形成的，故片间距不断减小。而 等温转变所得的片状珠光体的片间距则基本一 致。
22
Yuxi Chen Hunan Univ.
3 Yuxi Chen Hunan Univ.
4
Yuxi Chen Hunan Univ.
按照珠光体片间距大小，生产中将片状珠光体 区分为：珠光体、索氏体、屈氏体 珠光体：温度A1～650º C，片层间距150～450nm 索氏体：温度600～650º C，片层间距80～150nm 屈氏体：温度550～600º C，片层间距30～80nm
珠光体形成时的领先相随钢的化学成分、奥 氏体化条件及珠光体转变的过冷度决定。 在亚共析钢中铁素体是领先相，在过共析钢 中渗碳体是领先相，而在共析钢中两者的几 率相同。 过冷度小时——渗碳体 过冷度大时——铁素体
11 Yuxi Chen Hunan Univ.
奥氏体晶界处优先形核 成分条件，结构条件，能量条件 纵向长大是渗碳体片和铁素体片同时连续地 向奥氏体中延伸 横向长大是渗碳体片与铁素体片交替堆叠增 多。
铁碳合金经奥氏体化后缓慢冷却时，具有共 析成分的奥氏体在略低于A1的温度分解为铁素 体和渗碳体双相组织的共析转变。 铁素体与渗碳体的混合物，称为珠光体 。
2
Yuxi Chen Hunan Univ.
1、珠光体的组织形态
珠光体分为片状珠光体和粒状珠光体。 片状珠光体：由一层铁素体片与一层渗碳体片 交替紧密堆叠而成。 片层间距：铁素体片层厚度和渗碳体片层厚度 的总和，以 S0表示。 过冷度越大，珠光体片间距越小。
37 Yuxi Chen Hunan Univ.
形核率——温度曲线 长大速度——温度曲线 形核率——时间曲线 长大速度——时间曲线
形核率——时间曲线： （等温）S形
长大速度——时间曲线（等温）无关 （碳原子在奥氏体中的扩散，体扩散机制，界 面扩散机制）
38 Yuxi Chen 38 Hunan Univ.
碳含量（奥氏体中的碳含量） 合金元素 奥氏体晶粒 奥氏体成分均匀性 奥氏体过剩相 原始组织 加热温度和保温时间 应力 塑性变形
17 Yuxi Chen Hunan Univ.
粒状珠光体是通过片状珠光体中渗碳体的球状 化而获得的。 若将片状珠光体加热至略高于 Ac1点的温度， 保温时间短，则得到奥氏体加未完全溶解渗碳 体的混合组织。此时，渗碳体已不保持完整片 状，而是断开的趋于球状的颗粒状渗碳体。此 温度下保温将使片状渗碳体球化。
30
Yuxi Chen Hunan Univ.
魏氏组织形成条件： 钢的化学成分；过冷度；奥氏体晶粒度 碳含量0.2-0.4%（质量）， 魏氏组织铁素体 低于0.2%，块状铁素体 高于0.4%，网状铁素体 合金元素锰：促进魏氏组织形成； 钼、铬、硅：阻碍魏氏组织形成。
31 Yuxi Chen Hunan Univ.
7 Yuxi Chen Hunan Univ.
2、片状珠光体的晶体学
珠光体形成时，珠光体与奥氏 体之间存在一定的晶体学位向 关系，使新相和母相的原子在 界面上能够较好地匹配。 铁素体与奥氏体的位向关系： K-S关系： 渗碳体与奥氏体的位向关系： Pitsch关系： 铁素体与渗碳体的位向关系： Pitsch-Petch关系：
19 Yuxi Chen Hunan Univ.
片状Fe3C 的断裂与其内部的晶体缺陷有关。 若Fe3C 片内存在亚晶界，将在亚晶界面上产生 一界面张力，从而使片状Fe3C在亚晶界处出现 沟槽，沟槽两侧将成为曲面，与平面相比具有 较小的曲率半径，因此溶解度较高，曲面处的 Fe3C 溶解而使曲率半径增大，破坏了界面张力 平衡。为了恢复平衡，沟槽进一步加深。如此 循环直至Fe3C片溶穿。 Ac1点以下，片状渗碳体的球化是通过渗碳体 片的破裂、断开而逐渐成为粒状的。
奥氏体晶粒度 晶粒粗大，容易形成魏氏组织。 晶粒粗大则晶界少，网状铁素体析出后剩余的 空间大，有利于魏氏组织铁素体。 过冷度的影响（依情况不同） 亚共析钢 共析钢 过共析钢
32 Yuxi Chen Hunan Univ.
魏氏组织形成机制： 形核和长大机制 无定论 类似马氏体相变的切变 魏氏组织的力学性能 魏氏组织以及与其伴生的粗晶组织，显著降低 钢的机械性能，尤其是塑性和冲击性能，并使 钢的韧脆转变温度升高。
第三章 珠光体转变
第一节 珠光体的组织结构 第二节 珠光体转变机制 第三节 先共析转变和伪共析转变 第四节 珠光体转变动力学 第五节 珠光体的力学性能 第六节 钢种碳化物的相间沉淀
1 Yuxi Chen Hunan Univ.
第一节 珠光体的组织结构
珠光体转变 (Pearlite transformation) ：
3）转变速度极大：等温转变时，当转变量50% 时，转变速度达到极大值，随后转变速度逐渐 降低； 4）过共析钢和亚共析钢的C曲线左上方，都有 一条先共析渗碳体或铁素体的析出线。
41 Yuxi Chen Hunan Univ.
4、影响珠光体转变动力学的因素
内在因素：化学成分，原始组织 外在因素：加热温度，保温时间
2、珠光体等温转变动力学曲线
假设珠光体转变为均匀形核， 形核率不随时间而改 变，则转变量f 与等温时间 的关系可用Johnson-Mehl 方程表达：
vmax
孕育期
f = 1−exp(−/3 I v3 4)
实际转变中用Avrami方程